Introduzione alle Reti di Telecomunicazione

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Sommario del corso
• Nozioni introduttive
– Cenni storici
– Funzioni di una rete di TLC
– Topologie
– Servizi
– Trasmissione delle informazioni
– Caratterizzazione del traffico e qualità del
servizio
– Tecniche di multiplazione
– Tecniche di commutazione
– Tecniche di segnalazione
Introduzione alle reti
Gruppo Reti TLC
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ARCHITETTURE E PROTOCOLLI- 1
Sommario del corso
Sommario del corso
• Architetture e protocolli
• Reti telefoniche
– Architetture a strati
– Modello OSI a sette strati
– Architettura della rete Internet
– Architetture di protocolli ISDN (X.25), Frame
Relay, B-ISDN (ATM)
– Trasmissione PCM, PDH, SDH
– Architettura e rete di segnalazione
– Reti radiomobili cellulari
• Strato fisico
• Strato collegamento e trasporto: protocolli
a finestra
• Sicurezza nelle reti
Reti telefoniche: cronologia
Reti telefoniche: cronologia
•
•
•
•
•
•
• 1938: relè
• anni 60: elaboratori elettronici per il controllo delle
centrali (a programma registrato)
• 1964: prima centrale a controllo elettronico
(Succasunna - USA - ESS1)
• 1975: prima centrale interamente elettronica
(Chicago - ESS4)
• anni 80: segnalazione a canale comune, ISDN,
telefonia cellulare analogica
• anni 90: rete intelligente, Internet, telefonia
cellulare numerica
1837: codice Morse
1876: brevetto del telefono di Bell
1891: brevetto selettore Strowger
1894: prima centrale elettromeccanica
1895: esperimenti radio di Marconi
1923: primo servizio interurbano
automatico elettromeccanico (Baviera Siemens)
Pag. 1
Reti per dati: cronologia
Reti per dati: cronologia
• 1984: Introdotti DNS e USENET
• 1985: FDDI
• 1990: Tim Berners-Lee (CERN) presenta
documento (ignorato) sull’Information
Management attraverso ipertesti. Il nome del
progetto va scelto tra “Information Mine”,
“Information Mesh” e “World Wide Web”
• 1993: il traffico Web è solo l’1% del traffico totale
Internet ...
• 1997 : nasce Internet2, per la sperimentazione di
applicazioni e tecnologie di rete avanzate
• 1969: ARPANET (primo RFC: Host software)
• 1971: ARPANET: 15 nodi e 23 host. Posta
elettronica.
• 1973: Prima specifica FTP
• 1973: Prima specifica TCP
• 1976: Ethernet ed X.25
• 1980: OSI
• 1982: Token ring IBM
• 1982: TCP e IP sono definiti come protocolli di
riferimento di Internet (operativi da 1/1/83)
Formalizziamo ciò che sappiamo già
• Diamo qualche definizione tratta dal “Blue Book”
del CCITT (Raccomandazione I.112)
Servizi e funzioni nelle reti di
telecomunicazione
– CCITT: The International Telegraph and Telephone
Consultative Committee della International
Telecommunication Union (ITU). Dal 1994 il CCITT ha
preso il nome di ITU-T
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ITU-T
Esempio
• Gli apparecchi telefonici sono terminali di utente
collegati a una rete che fornisce servizi di
telecomunicazione
• Comunicazione: trasferimento di informazioni
secondo convenzioni prestabilite
• Telecomunicazione: qualsiasi trasmissione e
ricezione di segnali che rappresentano segni,
scrittura immagini e suono, informazioni di
qualsiasi natura, attraverso cavi, radio o altri
sistemi ottici e elettromagnetici
RETE
DI
TLC
Pag. 2
ITU-T: definizioni
Servizi
• Servizio di telecomunicazione: ciò che viene
offerto da un gestore pubblico o privato ai propri
clienti al fine di soddisfare una specifica esigenza
di telecomunicazione
• Funzioni in una rete di telecomunicazioni:
operazioni svolte all’interno della rete al fine di
offrire i servizi
• Un servizio può essere:
– connection-oriented (CO): si stabilisce un accordo
preliminare (connessione) tra rete e interlocutori, poi
si trasferiscono i dati e infine si rilascia la connessione
– connectionless (CL): i dati vengono immessi in rete
senza un accordo preliminare e sono trattati in modo
indipendente
Esempio
Esempio
• Sollevando il microtelefono si indica alla rete
l’inizio di una procedura di chiamata
• Bisogna poi attendere il tono di centrale
TU - TU
Esempio
Segnalazione di utente
• Mediante il disco combinatore o la tastiera si
indica alla rete l’interlocutore desiderato
• Il trasferimento delle informazioni di controllo tra
utente e rete si chiama SEGNALAZIONE DI
UTENTE
011 8935649
Pag. 3
ITU-T
Commutazione
• La rete individua le risorse necessarie per
collegare i due utenti e stabilisce un circuito
• Segnalazione: lo scambio di informazioni che
riguardano l’apertura, il controllo e la chiusura di
connessioni e la gestione di una rete di
telecomunicazione
ITU-T
Segnalazione di rete
• Commutazione: il processo di interconnessione di
unità funzionali, canali di trasmissione o circuiti di
telecomunicazione per il tempo necessario per il
trasferimento di segnali
• La costruzione di un circuito richiede scambio di
informazioni di controllo internamente alla rete
Esempio
Esempio
• Agli albori della telefonia la segnalazione
avveniva via voce e la commutazione era
manuale
manuale
Pag. 4
Esempio
Trasmissione
manuale
• I due utenti possono comunicare
Ciao,
come stai
ITU-T
Esempio
• Al termine della conversazione il circuito
viene rilasciato
• Trasmissione: il trasferimento di segnali da un
punto a uno o più altri punti
Funzioni in una rete di
telecomunicazione
Gestione
• Una rete di telecomunicazione cambia
continuamente:
•
•
•
•
– allacciamento nuovi utenti
– evoluzione tecnologica
– riconfigurazione per guasti
SEGNALAZIONE
COMMUTAZIONE
TRASMISSIONE
GESTIONE
• Un’altra funzione: la GESTIONE
Pag. 5
Rete di telecomunicazione
• Definizione:
– un insieme di nodi e canali che fornisce un
collegamento tra due o più punti per permettere la
telecomunicazione tra essi
Topologie delle reti di
telecomunicazione
• Si chiama nodo un punto in cui avviene la
commutazione
• Si chiama canale un mezzo di trasmissione
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Tipi di canale
Tipi di canale
• Canale Punto-Punto
• Due soli nodi collegati agli estremi del canale
che viene utilizzato in modo paritetico
• Canale Multi-Punto
• Più nodi collegati ad un unico canale: un
nodo master e numerosi slave
Master
A
B
Slave
telecomunicazione
Tipi di canale
• Canale Broadcast
• Un unico canale di comunicazione, condiviso
da tutti i nodi
• L’informazione inviata da un nodo è ricevuta
da tutti gli altri
• I dati trasmessi devono contenere l'indirizzo
del nodo destinazione
• La disposizione di nodi e canali definisce la
topologia della rete di telecomunicazione
• Una topologia di rete è definita da un grafo
G=(V,A)
– V = insieme dei vertici (raffigurati da cerchi - nodi)
– A = insieme degli archi (raffigurati da segmenti canali)
Pag. 6
telecomunicazione
telecomunicazione
• Gli archi possono essere:
• C = N(N-1)/2
• Vantaggio: tolleranza ai guasti
(molti percorsi tra due nodi)
• Svantaggio: elevato numero di
canali
• E’ usata solo quando i nodi sono
pochi
• Esiste un instradamento facile
– diretti (segmenti orientati - canali unidirezionali)
– non diretti (segmenti non orientati - canali
bidirezionali)
• Definiamo:
– N= |V|
– C= |A|
Topologia ad albero
Topologia a stella
• C = N-1
• Svantaggio: vulnerabilità ai
guasti (solo un percorso tra due
nodi)
• Vantaggio: basso numero di
canali
• E’ usata per ridurre i costi e
semplificare la stesura dei canali
• Instradamento facile
• C=N
• Svantaggio: vulnerabilità ai
guasti del nodo centrale
• Vantaggio: basso numero di
canali
• E’ usata per ridurre i costi e
semplificare la stesura dei
canali
• Instradamento facile
Topologia a maglia
Topologia ad anello
• N-1 < C < N(N-1)/2
• Svantaggio: topologia non
regolare
• Vantaggio: tolleranza ai guasti
e numero di canali
selezionabile a piacere
• E’ la più usata
• Instradamento complesso
• Può essere unidirezionale o bidirezionale
Pag. 7
Topologia ad anello
•
•
•
•
Topologia ad anello
• In caso di guasto l’anello bidirezionale assicura la
sopravvivenza della rete (a capacità dimezzata):
l’anello bidirezionale è la più semplice topologia
che consente un instradamento alternativo in
caso di guasto.
C=N/2 per l’anello unidirezionale
C=N per l’anello bidirezionale
E’ molto usata in reti locali e metropolitane
Instradamento facile
Topologia a bus
Topologia logica e fisica
• C=N-1 per il bus attivo
• C=1 per il bus passivo
• E’ molto usata in reti locali e
metropolitane
• Instradamento banale
• Bisogna distinguere:
– topologia logica: definisce l’interconnessione tra
nodi mediante canali
– topologia fisica: tiene conto del percorso dei mezzi
trasmissivi
Topologia fisica
Topologia logica
A
B
A
B
C
D
C
D
Pag. 8
Topologia e prestazioni
Topologie e prestazioni
• Confronto tra alcune topologie, a pari numero di
nodi (4) e (quasi) a pari numero di canali
• Traffico uniforme.
• Ogni coppia di nodi si scambia x bit/s. Traffico
totale generato 12x.
• Ogni canale unidirezionale ha capacità B bit/s.
• Si calcola: distanza media, capacità rete, carico
massimo su canale, carico massimo su nodo
• La quantità di traffico smaltibile da una rete
dipende, a pari capacità disponibile sui canali,
in modo inversamente proporzionale dalla
media della distanza tra ogni coppia di nodi
della rete pesata dalla quantità di traffico
scambiata tra i due nodi.
• Capacità: 3x2B=6B
• Distanza media: 10/6=1.66
• Considerando solo il traffico da sinistra verso
destra il carico massimo su un canale vale 4x;
quindi x <= B/4.
• Il nodo 3 (o 2) deve gestire fino a 7B/4 di traffico.
• Distanza media: 1.5
• Per il traffico in uscita dal nodo centrale il carico
massimo su un canale vale 3x; quindi x <=B/3.
• Il nodo centrale deve gestire fino a 3B di traffico.
2
1
3x
3
x
x
x
4
2x
2x
x
x
x
4
x
x
x
1
x
x
x
3
2
Topologie: distanza media
• Distanza media: 1.33
• Per il traffico senso orario il carico massimo su un
canale vale 2x; quindi x <= B/2.
• Ogni nodo deve gestire fino a 2B di traffico.
3x/2
x/2
3x/2
x/2
3x/2
x/2
3x/2
x/2
E[d1] O(N)
E[d2] O(√N)
E[d3]
E[d1]> E[d2] >E[d3]
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O(logN)
Servizi di telecomunicazione
• servizi portanti
• teleservizi
Servizi nelle reti di
telecomunicazioni
– servizi di base
– servizi supplementari
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Servizio portante
Teleservizio
• Un tipo di servizio di telecomunicazione che
fornisce la possibilità di trasmissione di segnali
tra interfacce utente - rete
• Esempio:
• Un tipo di servizio di telecomunicazione che
fornisce la completa possibilità di comunicazione
tra utenti, includendo le funzioni degli apparati di
utente, secondo protocolli concordati da gestori
pubblici o privati
• Esempi: telefonia, telefax
– circuito diretto numerico punto - punto
Servizio di base
Servizio supplementare
• Fornisce all’utente un servizio di
telecomunicazione con le minime funzionalità
richieste dal servizio stesso
• Esempi: telefonia di base (POTS), televisione
• Fornisce all’utente un servizio con funzionalità
aggiuntive rispetto al corrispondente servizio di
base
• Può essere offerto solo in associazione a un
servizio di telecomunicazione di base
• Modifica o integra uno o più servizi di base
Pag. 10
Esempi di servizi supplementari
Reti integrate e dedicate
• Telefonia: avviso di chiamata, richiamo su
occupato, trasferimento di chiamata, numero
verde, segreteria telefonica
• Televisione: Video-on-Demand (VOD)
• Le reti di telecomunicazione possono essere:
– dedicate (un unico servizio)
– integrate (una molteplicità di servizi)
• ISDN a banda stretta
(narrowband ISDN o N-ISDN)
• ISDN a banda larga
(broadband ISDN o B-ISDN)
Classificazione dei (tele)servizi
I servizi interattivi conversazionali
• permettono comunicazione con trasferimento di
informazioni da estremo a estremo in tempo reale
• Il flusso di informazioni può essere:
• interattivi
– conversazionali
– messaggistica
– consultazione / reperimento
– bidirezionale simmetrico
– bidirezionale asimmetrico
– unidirezionale
• diffusivi
• oppure
– senza controllo di presentazione all’utente
– con controllo di presentazione all’utente
– punto - punto
– punto - multipunto
– multipunto - multipunto
I servizi interattivi conversazionali
I servizi interattivi di messaggistica
• Esempi: VIDEO e SUONO
• permettono la comunicazione da estremo a
estremo tramite apparati per la memorizzazione
di informazioni
• Esempi: VIDEO e SUONO
– telefonia
– videoconferenza
– videosorveglianza
• Esempi:DATI
– segreteria telefonica
– videoclip, immagini fisse
– trasferimento di file
– interconnessione di calcolatori
– controllo in tempo reale
– giochi “multiplayer”
• Esempi: DATI
– e-mail
– SMS
Pag. 11
I servizi interattivi di consultazione e
reperimento
I servizi diffusivi senza controllo
di presentazione all’utente
• permettono la diffusione di un flusso di
informazioni da una sorgente a un numero
qualsiasi di ricevitori (autorizzati) collegati alla
rete
• Gli utenti NON POSSONO controllare l’inizio e
l’ordine della presentazione delle informazioni
• Esempi:
• permettono la consultazione ed il reperimento di
informazioni immagazzinate in centri di
informazione di uso pubblico
• Esempi:
– Reperimento immagini fisse
– Teledidattica
– Telesoftware
– Teleshopping
– TV, pay TV
– radio
I servizi diffusivi con controllo
di presentazione all’utente
Modello client-server
• permettono la diffusione di un flusso di
informazioni da una sorgente a un numero
qualsiasi di ricevitori (autorizzati) collegati alla rete
• Le informazioni sono organizzate in sequenze di
entità che si ripetono ciclicamente e gli utenti
POSSONO controllare l’inizio e l’ordine della
presentazione delle informazioni
• Esempi:
• Molte applicazioni, specie nel mondo Internet,
seguono il modello client/server:
– client: inizia l’interazione con il server (“parla per
primo”), tipicamente richiedendo un servizio (es.
richiesta di una pagina www, invio di un e-mail)
– server: fornisce al client il servizio richiesto (p.es. invia
la pagina www richiesta, riceve e memorizza il
messaggio di e-mail)
– televideo
– quasi VoD
• I server vengono attivati al momento
dell’accensione dell’elaboratore su cui sono stati
installati e si pongono in attesa di richieste da
parte dei client.
request
reply
Pag. 12
Tipi di trasmissione
• ANALOGICA
– L'informazione è trasferita per mezzo di un segnale
elettrico
Trasmissione nelle reti di
telecomunicazioni
• continuo
• limitato
• di infiniti possibili valori
• NUMERICA
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– L'informazione è trasferita per mezzo di un segnale
elettrico
• discontinuo
• limitato
• con un numero finito di possibili valori
Trasmissione analogica
Trasmissione numerica
t
t
Processo di numerizzazione
• ANALOGICA
$QDORJLFR
&DPSLRQDPHQWR
– L'informazione assume valori in un insieme continuo. Tali
valori vengono rappresentati come variazione continua di un
parametro elettrico.
• NUMERICA
4XDQWL]]D]LRQH
t
t
– L'informazione assume valori in un insieme numerabile e finito
di valori.
– I segnali che trasferiscono l’informazione sono in generale
comunque continui.
– Il ricevitore, tramite un processo di decisione, ricostruisce
informazione discreta.
1XPHULFR
t
t
Pag. 13
Trasmissione Parallela
• PARALLELA
– L'informazione viene trasferita in parallelo
(tipicamente 8 bit = 1 byte alla volta) su un bus di
comunicazione contenente segnali di dato e segnali
di temporizzazione (clock).
Parallela
1
0
1
0
0
1
1
1
Bit 1
• SERIALE
– L'informazione viene prima serializzata e quindi
trasmessa un bit alla volta. Esistono meccanismi di
sincronizzazione che evitano l'uso di segnali
aggiuntivi di temporizzazione.
Bit 8
0
0
1
1
1
0
0
1
Trasmissione Seriale
Tipi di trasmissione seriale
• ASINCRONA
– Ogni byte di informazione viene trasmesso
separatamente dagli altri. Il clock di ricezione è solo
nominalmente uguale a quello di trasmissione.
• SINCRONA
1 0 1 0 0 1 1 1
0 0 1 1 1 0 0 1
– Le informazioni da trasmettere sono strutturate in
trame. Il trasmettitore e il ricevitore sincronizzano i
loro clock prima della trasmissione e li mantengono
sincronizzati per tutta la durata della trama.
Trasmissione asincrona
Trasmissione sincrona
• S: Start Bit
• P: Parity Bit
• Stop Bits 1, 1.5, 2
• L'overhead di sincronizzazione è ridotto
CARATTERE N
DA 5 A 8 BIT
LINE
IDLE
S LSB
MSB LSB
MSB
P
STOP
BITS
CARATTERE N-1
MSB LSB
CARATTERE N+1
1 CARATTERE
CLOCK
Pag. 14
Ricezione
• ricezione continua su canali punto-punto o
per trasmissione sincrona
• ricezione “burst mode” su canali multipunto o
broadcast o nel caso di trasmissione
asincrona
Modi di trasferimento nelle reti di
telecomunicazioni
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Condivisione di canale
• Condivisione di canale tra diversi flussi di
informazione in una rete di TLC
– Multiplazione: se tutti i flussi sono disponibili in
un unico punto
– Accesso multiplo: se i flussi accedono al canale
da punti differenti
Condivisione di canale
• Per eseguire queste
funzioni si possono
utilizzare:
– Frequenza (FDM - FDMA)
– Tempo (TDM - TDMA)
– Codice (CDM - CDMA)
– Spazio
canale
t
Multiplazione di frequenza
(FDM – FDMA)
• Separazione ottenuta usando bande di frequenza
diverse
• Servono bande di guardia
f
Multiplazione di tempo (TDM – TDMA)
• Separazione ottenuta usando intervalli di tempo diversi
• Servono trame temporali che si ripetono
• Servono tempi di guardia
f
f
t
t
Pag. 15
Multiplazione di codice
(CDM – CDMA)
(CDM – CDMA)
• Separazione ottenuta usando codici diversi
• Servono codici riconoscibili
c
f
f
t
t
Multiplazione di codice (CDMA)
• La separazione tra i flussi è ottenuta usando
codifiche diverse
• Un esempio:
– Servono codici riconoscibili (ortogonali)
– parola di codice per l’utente i: +1 +1 -1 -1
– sequenza codificata = bit di informazione x parola di
codice
– bit di informazione:
0
0
1
1
0
• I flussi non vengono separati né nel tempo né in
frequenza, ma sfruttando segnali ortogonali.
• Si ottiene migliore protezione dai disturbi.
• L’operazione di ricezione è una proiezione
(correlazione, o prodotto scalare).
– sequenza codificata: -1-1+1+1 -1-1+1+1 +1+1-1-1 +1+1-1-1 -1-1+1+1
• Un esempio (segue):
• Un esempio (segue):
– parola di codice utente 1: +1 +1 -1 -1
– parola di codice utente 2: +1 +1 +1 +1
– parola di codice utente 3: +1 -1 +1 -1
– parola di codice utente 4: +1 -1 -1 +1
– ricezione = correlazione con la parola di codice
– ricezione dall’utente 1 = prodotto scalare della
sequenza ricevuta con +1 +1 -1 -1
– trasmissione di 1+2+3: +3 +1 +1 -1
– correlazione con +1 +1 -1 -1: 4
– trasmissione di 2+3: +2 0 +2 0
– correlazione con +1 +1 -1 -1: 0
• Sul canale si sommano le trasmissioni (occorre
equalizzare le potenze)
– trasmissione di 1+2+3: +3 +1 +1 -1
– trasmissione di 2+3: +2 0 +2 0
Pag. 16
Multiplazione di spazio
Multiplazione statistica
• Le reti permettono di sfruttare la diversità
spaziale del sistema per far coesistere più flussi
di informazione in punti diversi
• L’instradamento può cercare di sfruttare una
multiplazione di spazio per aumentare la capacità
di una rete
• Il progetto della topologia della rete può cercare
di aumentare la diversità spaziale
• Le “celle” sono un esempio di diversità spaziale
• La multiplazione nelle dimensioni tempo,
frequenza (o lunghezza d’onda), codice e spazio
può essere predeterminata (sulla scala
temporale della dinamica delle connessioni) o
statistica (funzione delle variazioni “istantanee”
di traffico)
ITU-T: definizione di commutazione
Condivisione di risorse in un nodo
• Commutazione: il processo di interconnessione di
unità funzionali, canali di trasmissione o circuiti di
telecomunicazione per il tempo necessario per il
trasferimento di segnali
• Condivisione di un nodo tra diversi flussi di
informazione in una rete di TLC:
– Commutazione di circuito: se i flussi sono continui
(telefonia)
– Commutazione di pacchetto e cella: se i flussi sono
intermittenti (trasmissione dati)
Commutazione
Commutazione di circuito
• La rete usa le risorse disponibili per allocare un
circuito a ogni richiesta di servizio
• Un circuito costituisce un collegamento fisico tra i
due terminali di utente
• E’ il processo di allocazione delle risorse di rete
necessarie per il trasferimento dell’informazione
Pag. 17
U1
• Il circuito è di uso esclusivo dei due utenti per
tutta la durata della comunicazione
• Le risorse sono rilasciate solo al termine della
comunicazione, su indicazione degli utenti
N1
N2
U2
• impegno
• trasferimento dati
• svincolo
t
t
t
Struttura di nodo di rete a
commutazione di circuito
t
• Vantaggi:
interfaccia
di
ingresso
Rete
di
connessione
– ritardi di trasferimento costanti
– trasparenza del circuito (formati, velocità, protocolli)
– bassi ritardi nell’attraversamento dei nodi
interfaccia
di
uscita
comando
Segnalazione
Sistema
di
comando
Segnalazione
Commutazione di pacchetto
• Svantaggi:
• Non si allocano risorse per l’uso esclusivo di
due o più utenti.
• Studiata espressamente per sorgenti
intermittenti.
• Funzionamento analogo al sistema postale.
– risorse dedicate a una comunicazione
– efficienza buona solo per sorgenti non intermittenti
– nessuna conversione di formati, velocità, protocolli
– tariffazione in base al tempo di esistenza del circuito
Pag. 18
• L’informazione da trasferire è organizzata in
unità dati (PDU) che comprendono informazione
di utente e di controllo
• PDU = protocol data unit (unità dati)
• PCI = protocol control information (controllo)
• SDU = service data unit (informazione di utente)
• Funzionamento analogo al sistema postale.
P.T.
INDIRIZZO
P.T.
P.T.
PCI
SDU
• Unità dati è una terminologia ISO.
• Altri termini utilizzati:
• Le unità dati vengono consegnate alla rete
• Ogni nodo:
– Pacchetto (packet)
– Cella (cell)
– Datagramma (datagram)
– Segmento (segment)
– Messaggio (message)
– Trama (frame)
– memorizza il pacchetto
– elabora il pacchetto e determina il canale su cui
inoltrarlo
– mette il pacchetto in coda per la trasmissione sul
canale
• Funzionamento store and forward
Struttura di nodo di rete a
commutazione di pacchetto
Store and forward
• Modo di funzionamento dominante:
– occorre disporre dell’intestazione prima di poter
effettuare l’instradamento
– l’instradamento richiede tempo
– occorre qualche forma di protezione da errori
sull’intestazione
– le diverse capacità dei mezzi trasmissivi non
vengono suddivise in canali uguali
interfaccia
di
ingresso
• Memorizzazione:
Memoria
Code
di
uscita
interfaccia
di
uscita
Elaborazione
– alle uscite
– agli ingressi
– mista
Pag. 19
Controllo router CISCO
ogni
pacchetto
route
table
access
list
queuing
priority
accounting
data
cache
security
task
queuing
task
accounting
task
switching
task
• L’informazione di utente può dover essere
frazionata in molti pacchetti
• Pacchetti di dimensione fissa o variabile
PCI
U1
N1
N2
SDU
U2
• La lunghezza dei pacchetti è determinata da
– possibilità di parallelizzazione (pipeline)
• Pacchetti brevi favoriscono la trasmissione in
parallelo su canali diversi di pacchetti di una
stessa comunicazione (riducono la latenza di
attraversamento dei nodi)
t
t
t
t
– ritardo di pacchettizzazione
– percentuale di informazione di controllo
• Pacchetti brevi riducono il ritardo di
pacchettizzazione
• Pacchetti lunghi riducono la percentuale di
informazione di controllo
Pag. 20
• Pacchetti lunghi riducono la percentuale di
informazione di controllo
– percentuale di informazione di controllo
– probabilità di errore
– PCI di dimensione p bit
– SDU di dimensione s bit
• Frazione di informazione di controllo:
p
s+ p
• Pacchetti corti riducono la probabilità di errore
• Pacchetti corti riducono la probabilità di errore
• Vantaggi rispetto alla commutazione di circuito
– pacchetti di n bit
– canale con errori indipendenti
– probabilità di errore p
– utilizzazione efficiente delle risorse anche in
presenza di traffico intermittente
– possibilità di controllo di correttezza lungo il percorso
– possibilità di conversioni di velocità, formati,
protocolli
– tariffazione in funzione del traffico trasmesso
• Probabilità che un pacchetto sia corretto:
(1-p)n
Funzionamento non
“store and forward”
• Svantaggi rispetto alla commutazione di circuito
• Ogni nodo
– elaborazione di ogni pacchetto in ogni nodo
– ritardo di trasferimento variabile
– memorizza i primi byte (flit) del pacchetto
– determina il canale su cui inoltrarlo
– inizia immediatamente la ritrasmissione del
pacchetto senza attendere la completa
ricezione
Pag. 21
Funzionamento non
store and forward
Funzionamento non
store and forward
• Differenze con store and forward
– non sono possibili conversioni di formato e di
velocità
– non sono possibili controlli d’errore
– diminuiscono le latenze nel nodo di
commutazione
– uno stesso pacchetto può impegnare
simultaneamente più nodi e più canali
?
Funzionamento non
store and forward
Funzionamento non
store and forward
• Il canale di uscita può essere occupato
• Esistono due alternative:
– il pacchetto viene memorizzato nel nodo
• (CUT-TROUGH routing)
– il pacchetto viene fermato con una segnalazione
esplicita all’indietro
?
• (WORMHOLE routing con BACKPRESSURE)
stop
Cut-through routing
•
•
•
•
Wormhole routing
simile allo store-and-forward
perdite di pacchetti a fronte di congestione
necessità di molta memoria nei nodi
riduzione delle latenze solo con basso
traffico
• richiede canali bidirezionali
• necessità di poca memoria nei nodi
• i pacchetti (“worm”) non vengono persi a
fronte di congestione
• rischio di “deadlock”
Pag. 22
Wormhole routing con deflessione
• Modi di trasferimento in una rete a
commutazione di pacchetto:
• i worm che trovano il canale d’uscita
occupato sono deflessi su un’altra uscita
• richiede lo stesso numero di ingressi e uscita
• necessità di poca memoria nei nodi
• i worm non vengono persi a fronte di
congestione
• rischio di “livelock”
• non si garantisce il mantenimento della
sequenza
– datagram (senza connessione)
– circuito virtuale (con connessione)
Servizio su circuiti virtuali (con
connessione)
Servizio erogato in modalità
datagram (senza connessione)
• la comunicazione è suddivisa in tre fasi
• non esiste una suddivisione della comunicazione
in tre fasi perché non c’è alcun accordo
preliminare sulla fornitura del servizio
• pacchetti diversi con uguale sorgente e
destinazione possono seguire percorsi diversi
– apertura connessione (segnalazione)
– trasferimento dati
– chiusura connessione (segnalazione)
• esiste un accordo preliminare tra i due
interlocutori e il fornitore del servizio
• pacchetti diversi con uguale sorgente e
destinazione seguono tutti lo stesso percorso
Servizio su circuito virtuale (con
connessione)
Servizio su circuito virtuale
• Il servizio su circuito virtuale in reti a pacchetto
non è equivalente al servizio in reti a circuito
perché non si allocano staticamente risorse a
una comunicazione
• (s)vantaggi rispetto al datagram
– mantenimento della sequenza
– minor variabilità dei ritardi
– instradamento solo in fase di apertura di
connessione
Pag. 23
Servizio su circuito virtuale (con
connessione)
• (s)vantaggi rispetto alla commutazione di circuito
• (s)vantaggi rispetto alla commutazione di circuito
– tariffazione in funzione del traffico trasmesso
– elaborazione di ogni pacchetto in ogni nodo
– ritardo di trasferimento variabile
– utilizzazione efficiente delle risorse anche in
presenza di traffico intermittente
– possibilità di controllo di correttezza lungo il percorso
– possibilità di conversioni di velocità, formati,
protocolli
Informazione di indirizzamento
Circuiti virtuali: identificatori
• Nel caso datagram occorre identificare in ogni
pacchetto la coppia sorgente/destinazione
(quindi utilizzare identificatori globali)
• Nel caso di circuiti virtuali è sufficiente
identificare il circuito virtuale (anche con
identificatori locali ad ogni tratta). La coppia
sorgente-destinazione è utilizzata solo in fase
di apertura del circuito
216
TE1
32
1
5
5
3
3
4
4
TE2
1
TE3
612
1
2
2
3 4 5
2
1
2
3
IN etichetta OUT etichetta
1
32
5
612
Raggruppamento di circuiti
virtuali: nomenclatura ATM
Circuiti virtuali: identificatori
• Una connessione su un canale è identificata
logicamente da un’etichetta
• Etichetta = spesso è coppia di identificatori
VPI 1
VCI 1
– LCG-LCN in X.25, VCI-VPI in ATM
• Circuito virtuale: associato a una singola comunicazione
• Gruppo: associato a un insieme di circuiti virtuali
VCI 2
VCI 3
• Gruppo permette di aggregare flussi
VCI 4
– Facilita operazioni gestione interna rete
– Esempi: collegamento tra LAN, flussi multimediali
voce e video
VPI 6
VCI 5
Pag. 24
512
Circuiti permanenti e commutati
Tecniche di commutazione
• PVC (Circuiti virtuali permanenti)
• Commutazione = allocazione di risorse
– creati tramite il sistema di gestione della rete,
non in tempo reale
– definiscono una rete semi-statica
– commutazione di circuito = allocazione totale al
flusso di informazione
– commutazione di pacchetto = nessuna
allocazione al flusso di informazione
– pacchetto con circuiti virtuali = allocazione
parziale di risorse (canali, memoria,
instradamenti) al flusso di informazione
• SVC (Circuiti virtuali commutati)
– creati su richiesta dell’utente tramite
segnalazione della rete, in tempo reale
• commutazione di circuito = commutazione
posizionale
• commutazione di pacchetto = commutazione
di etichetta (label)
• commutazione di circuito = multiplazione
(statistica) sulla scala temporale delle
chiamate/connessioni
• commutazione di pacchetto = multiplazione
(statistica) sulla scala temporale delle unità
dati
– commutazione di circuito = allocazione
preventiva delle risorse necessarie ad un
trasferimento di informazione
– commutazione di pacchetto = allocazione
progressiva delle risorse necessarie ad un
trasferimento di informazione
– allocazione preventiva delle risorse necessarie
ad un trasferimento di informazione
– allocazione progressiva delle risorse necessarie
• scarto della richiesta e rilascio delle risorse
impegnate quando l’allocazione non è
possibile per evitare il rischio di deadlock
Pag. 25
Tecniche di commutazione e
qualità di servizio (QoS)
• la commutazione di pacchetto (datagram)
non prevede allocazione preventiva di risorse
• fenomeni di congestione portano a degrado
di prestazioni e perdita delle unità dati
• un flusso di informazioni non subisce una
fase di richiesta / accettazione (Call
Admission Control - CAC)
• nel caso datagram un flusso di informazioni non
subisce una fase di Call Admission Control
• l’attivazione di nuovi flussi può aumentare la
congestione, deteriorando la QoS di flussi
esistenti
• per garantire qualche forma di QoS occorre un
meccanismo di CAC e di riconoscimento dei
flussi (classificazione)
Commutazione di pacchetto e
tariffazione
• La tecnica dei circuiti virtuali, abbinata a forme di
CAC e di classificazione consente di garantire
qualche forma di QoS
• Internet non prevede circuiti virtuali: i nuovi
router cercano di fare una classificazione dei
flussi
• ATM prevede solo circuiti virtuali
• Tipi di tariffazione:
– a tempo: non adatta alla commutazione di pacchetto
– a volume: non accettabile senza QoS
– abbonamento (“flat-rate”):
• è compatibile con forme di QoS?
• è compatibile con servizi non dati?
ITU-T: definizione
• Segnalazione: lo scambio di informazioni che
riguardano l’apertura e il controllo di connessioni
e la gestione di una rete di telecomunicazione
Tecniche di segnalazione
Gruppo Reti TLC
[email protected]
Pag. 26
Tecniche di segnalazione
Segnalazione associata al canale
• Esiste una corrispondenza biunivoca tra:
• Si distinguono:
– canale controllante (informazioni di segnalazione)
– canale controllato (informazioni di utente)
– segnalazione di utente: scambio di informazioni tra
utente e nodo
– segnalazione internodale (di rete): scambio di
informazioni tra nodi
• Usata in reti a circuito per telefonia o per dati di
vecchia tecnologia
• Segnalazione:
informazioni
d’utente
1
2
– associata al canale:
associati
k
• in banda
• fuori banda
1
2
– a canale comune
k
segnalazione
• Segnalazione associata al canale: in banda
(canale controllante controllato coincidono - sono
usati in tempi diversi)
• Segnalazione associata al canale: fuori banda
(canale controllante e controllato distinti)
1
2
segnalazione
k
1
2
1
2
informazioni
d’utente
segnalazione
k
k
Segnalazione a canale comune
• un canale di segnalazione controlla più canali di
informazioni di utente
• il canale di segnalazione funziona a pacchetto
• usata nelle reti con tecnologie avanzate
• standard ITU-T Sistema di segnalazione n. 7
(SS n. 7)
informazione
d’utente
1
2
k
1
k
segnalazione
Pag. 27
• L’uso della segnalazione a canale comune nelle
nuove reti a circuito porta alla definizione di una
rete di segnalazione
• Tra le informazioni di segnalazione hanno
particolare rilevanza gli indirizzi di utente:
INDIRIZZI E NUMERAZIONE
Tecniche di gestione
Gruppo Reti TLC
[email protected]
Controllo e gestione delle reti
• Il Network Management normalmente consiste di
diverse funzioni:
– gestione della configurazione (Configuration
Management)
– gestione delle prestazioni (Performance
Management)
– gestione dei guasti (Fault Management)
– gestione della sicurezza (Security Management)
– gestione della tariffazione (Accounting Management)
Gestione delle reti
• Per avere buone prestazioni (p. es. SONET/SDH può
recuperare situazioni di guasto in 60 ms) le funzioni di
gestione vengono sovente realizzate in modo distribuito e
non centralizzato.
• Il mondo Internet basa l’ambiente di gestione sul protocollo
Simple Network Management Protocol (SNMP).
• Il mondo dei gestori pubblici sta convergendo verso un
contesto di gestione detto Telecommunications
Management Network (TMN), utilizzando il protocollo
Common Management Information Protocol (CMIP) e
utilizzando basi di dati distribuite dette Management
Information Base (MIB).
Qualità di Servizio
Qualità di Servizio nelle
reti di telecomunicazione
• Per il progetto di una rete si devono definire le
caratteristiche secondo le quali le informazioni
sono emesse dalle sorgenti nell’ambito di un
servizio di telecomunicazione
• È necessario anche identificare le risorse di rete
Gruppo Reti TLC
[email protected]
– Risorse di trasferimento
– Risorse di elaborazione
Pag. 28
• Le risorse di rete possono essere
– Indivise
• assegnate in modo permanente ad una attività
• Esempi: doppino d’utente, attacco d’utente
– Condivise
• utilizzabili da più attività (in tempi distinti)
• Esempi: linee di giunzione, processori per trattamento
di chiamata
• La disponibilità di risorse nella rete e le tecniche
di allocazione delle risorse alle comunicazioni
determinano la qualità del servizio fornito
all’utente
• L’analisi e il progetto di una rete di TLC si basano
su modelli quantitativi che permettono di stimare
la qualità del servizio fornito a partire da ipotesi
relative alle risorse e alle attività
• Problema di analisi:
• Problema di progetto:
– Date:
– Date:
• richieste di servizio
• richieste di servizio
• risorse disponibili
• qualità del servizio
– Determinare:
– Determinare:
• qualità del servizio
• risorse necessarie
Caratterizzazione delle sorgenti di
informazione
• Servono modelli matematici per:
• analogiche: voce, video
– caratterizzare le richieste di servizio
– caratterizzate dalle loro caratteristiche spettrali
(occupazione in banda, correlazione, ...)
– descrivere l’interazione tra attività e risorse
– calcolare la qualità del servizio
• numeriche (o numerizzate): dati, voce
(numerizzata), video (numerizzato)
– caratterizzate dalla velocità di cifra e dalla loro
impulsività (burstiness)
Pag. 29
informazione
• Sorgenti numeriche:
informazione
• Sorgenti CBR:
– a velocità costante (Constant Bit Rate - CBR)
– velocità
(b/s)
• voce numerizzata (64 kb/s, 32 kb/s)
– durata (s)
• videoconferenza (n x 64 kb/s)
– processo di generazione delle chiamate
– a velocità variabile (Variable Bit Rate - VBR)
• video MPEG (ordine dei Mb/s)
• file transfer (da kb/s a Mb/s)
informazione
informazione
• Sorgenti VBR:
V1
– velocità di picco (b/s)
– velocità media (b/s)
• Oppure:
token
bucket
L
– grado di intermittenza = velocità di picco / velocità
media
V2
sorgente
– durata (s)
rete
– processi di generazione delle chiamate
Indici di qualità
• Tipi di informazione diversi richiedono alla rete
prestazioni diverse
Indici di qualità
• Esempio: la telefonia (CBR)
– ritardo massimo pari a qualche decimo di secondo tempo reale
• Indici di qualità:
– ritardo (valor medio, percentile, tempo reale)
– velocità 64 kb/s (o meno)
– velocità
– probabilità di errore non superiore a qualche %
– probabilità di errore
– probabilità di blocco bassa
– probabilità di blocco
Pag. 30
Indici di qualità
Indici di qualità
• Esempio: la posta elettronica (VBR)
• Esempio: il video su richiesta
– ritardo massimo fino a diversi minuti
– ritardo massimo fino a qualche secondo - tempo reale
– velocità bassa
– velocità di decine di Mbit/s
– probabilità di errore trascurabile
– probabilità di errore non superiore a qualche %
– probabilità di blocco trascurabile
– probabilità di blocco molto bassa
Caratteristiche di alcuni servizi
Caratteristiche di alcuni servizi
traffico modem
103
102
101
video conferenza
1 ora dati a bassa
101
velocità
1 min.
voce
telemetria
burstiness
HI-FI audio
104
100
video
video
telefonia
dati
ad alta
velocità
voce
dati
bassa
velocità
102
facsimile
102 103 104 105 106 107
1 Mbit/s
1 kbit/s
108 velocità
103103
(bit/s)
HDTV
non compresso
VIDEO
1
101
audio
circuito pacchetto
durata collegamento
(s)
105
LAN
bassa
velocità
terminali
di host
104
105
compresso
dati non
connessi
LAN alta
velocità
106
super
calcolatori
immagini
107
108
109
1010
velocità di picco
Teletraffico
Teletraffico
• La disciplina matematica su cui si basano la
costruzione e la soluzione di modelli per
l’analisi e il progetto di una rete di
telecomunicazione prende il nome di
• La caratterizzazione delle richieste di
servizio corrisponde alla definizione del
traffico
– traffico di telecomunicazione o teletraffico
teoria del teletraffico
• Pioniere di tale teoria fu il matematico
danese Agner Krarup Erlang (1878-1929)
Pag. 31
Modelli matematici
Modelli a coda
• Oggi la disponibilità di elevate capacità di
elaborazione consente la simulazione di una
rete di telecomunicazioni.
• Il simulatore è solitamente dedicato ad un
particolare aspetto della rete (segnalazione,
traffico, copertura radio, …).
coda
centro di servizio
λ
λ
0
1
ρ=λ/µ
λ
2
µ
µ
πÿ=ρÿ(1−ρ)
µ
λ
λ
3
...
4
µ
Ε[Τ]=1/(µ−λ)
µ
Ε[Ν]=λ/(µ−λ)
Modelli matematici
Modelli matematici
• Modelli di nodo in reti a commutazione di
circuito
• Esempio:
– centrale con 100 utenti
– ogni utente genera un traffico pari 0.1 Erlang
– P {blocco} = 5% (se non posso memorizzare)
– P {coda} = 5% (se posso memorizzare)
M /M /m
M /M /m /0
• Ipotesi:
– arrivi secondo un processo di Poisson (λ)
– servizi con ddp esponenziale negativa (µ)
– m risorse indistinguibili
• Il progetto di reti a commutazione di circuito
usa le formule di Erlang
Modelli matematici
Ipotesi modello
• N nodi
• M canali (il canale i ha velocità Ci bit/s)
• pacchetti la cui lunghezza ha ddp esponenziale
negativa con valor medio 1/µ bit
• 1/(µCi) è il tempo medio di trasmissione di un
pacchetto sul canale i
• generazione di pacchetti al nodo i con destinazione
al nodo j secondo processo di Poisson a velocità µij
bit/s
• Modelli di reti a commutazione di pacchetto
– reti di code
partenze
arrivi
. /M /1
Pag. 32
Ipotesi modello
Modelli matematici
• disciplina FIFO per le trasmissioni su ogni
canale
• instradamento fisso o statico
• memoria illimitata nei nodi
• canali che non introducono errori
• tempi di elaborazione e propagazione
trascurabili
• indipendenza delle lunghezze dei pacchetti
ai vari canali
• Il valor medio del ritardo dei pacchetti nella
rete è
λ
ÿ
ÿ[ ] =
• γ = ÿ ÿ γ
=ÿ
• λ
µ
γ
ÿ
=ÿ
µ
−λ
velocità totale di arrivo
=ÿ
intensità di traffico sul canale i
Pag. 33

Introduzione alle Reti di Telecomunicazione

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